В Европе тестируют воздушные кондиционеры, работающие без хладагентов (но, возможно, с ИИ)

Новейшие технологии охлаждения от лабораторных испытаний постепенно переходят к первым опытам применения в реальных условиях, а исследователи и стартапы ищут способы охлаждения помещений без использования традиционных хладагентов. Толчком к этому послужил рост требований к эффективности кондиционеров в странах Европы, где тенденция к повышению окружающей температуры исчерпывает возможности как существующих систем климат-контроля, так и помещений, для охлаждения которых они предназначены. Сегодня в Европе тестируют твердотельные хладагенты на основе электрокалорического, магнетокалорического и барокалорического эффектов.

Некоторые из этих новых подходов опираются на свойство металлов охлаждаться при приложении и снятии механической нагрузки растяжения. Другие используют полупроводники, магнитные поля или материалы, чувствительные к давлению, для отвода тепла без применения химических хладагентов, используемых в традиционных системах кондиционирования воздуха. Большая часть этих технологий находится на ранних стадиях исследования, но эти работы отражают растущий интерес к фундаментальным физическим принципам охлаждения, более глубокое понимание которых поможет создать более эффективные и экологичные устройства климат-контроля.

Интенсивность этих исследований отражает темп климатических изменений, с которым европейская инфраструктура уже не справляется. В июне этого года температура воздуха в ряде стран региона превысила 40°C, что вызвало скачок спроса на климатическое оборудование. Во Франции люди раскупили все имевшиеся в магазинах портативные кондиционеры и вентиляторы. По оценкам Международного энергетического агентства (МЭА), к 2050 году две трети всех домохозяйств в мире будут использовать кондиционеры.

Европа здесь занимает не первое место: воздушные кондиционеры используют всего около 20% европейских домохозяйств, тогда как в Соединенных Штатах – около 90%. В Великобритании этот показатель близок к 4%. Но ожидается, что разрыв сократится, так как жара становится все более частым явлением, причем в странах, где кондиционеры ранее не использовались как традиционный бытовой прибор.

Климат-контроль – это уже не просто вопрос комфорта. Температура воздуха влияет на работоспособность, качество сна и общее состояние здоровья людей, особенно в длительные периоды экстремальной жары. Исследователи установили положительную связь между доступом к кондиционеру и снижением количества смертельных случаев во время жары – в частности, в 2019 году благодаря этому удалось избежать около 200 тысяч преждевременных смертей людей в возрасте старше 65 лет.

Демонстрация никель-титановых элементов для установок с эластокалорическим эффектом.

В то же время масштабное использование традиционных кондиционеров имеет и свои собственные проблемы. Большинство систем по-прежнему опирается на хладагенты, которые в ходе передачи тепла циклически переходят из жидкого состояния в газообразное и обратно. Это эффективный, но достаточно энергозатратный способ охлаждения, который несет в себе риски для окружающей среды. На кондиционеры уже приходится около 3% мировых выбросов парниковых газов, а количество потребляемой ими электроэнергии к 2050 году, по прогнозам экспертов, вырастет более чем в три раза.

Все больше вопросов и к самим хладагентам. Широко используемые сегодня фторсодержащие газообразные хладагенты (фреоны) при утечке могут способствовать глобальному потеплению в тысячи раз сильнее, чем углекислый газ. В 2024 году Евросоюз принял решение о постепенном отказе от фреонов. "В ближайшие несколько лет кондиционеры и тепловые насосы, использующие эти вещества, больше не смогут продаваться в Европе," – сказал в интервью Wired Фабиан Фосвинкель (Fabian Voswinkel), аналитик МЭА по вопросам энергетической эффективности. Альтернативные варианты, такие как пропан и аммиак, широко доступны, но имеют свои минусы, в частности – огнеопасны и токсичны.

Эти издержки подталкивают ученых к разработке технологий твердотельных хладагентов, устраняющих необходимость в каких-либо дополнительных жидких или газообразных хладагентах. Вместо этого используются материалы, изменяющие свою температуру под действием внешних сил, как то – механической нагрузки, электрического тока или магнитного поля.

В Саарском университете Германии ученые испытывают никель-титановые сплавы, охлаждающиеся при упругой деформации растяжения-сжатия, что получило название эластокалорического эффекта охлаждения. Первые результаты показывают, что этот подход потенциально может снизить температуру в помещении на 5-10 градусов и более эффективен, чем традиционные кондиционеры.

Группа ученых под руководством Пауля Мотцки (Paul Motzki) совместно с ирландской компанией Exergyn разрабатывают тепловые насосы без хладагентов; развертывание этих систем планируют начать в новых зданиях в ближайшие несколько лет. По словам Мотцки, эта технология "может привести к разрыву шаблона и смене парадигмы, поскольку принципиально отличается от общепринятых методов охлаждения".

Другие компании исследуют другие подходы. Mimic Systems тестирует полупроводниковые тепловые насосы, которые для отвода тепла используют электрические токи – прототип такого устройства установлен в жилой квартире в Ванкувере. Немецкая фирма Magnotherm разрабатывает системы охлаждения с опорой на магнитные поля и планирует испытывать их в сети немецких супермаркетов, прежде чем внедрять в пользовательские кондиционеры. В Великобритании спинаут Кембриджского университета Barocal работает с пластиковыми кристаллами, которые выделяют тепло при сжатии; посевные инвестиции в стартап составляют 10 миллионов долларов.

На текущий момент большинство этих систем еще не проверены в широкой практике. Линдси Расмуссен (Lindsay Rasmussen) из Third Derivative работает со стартапами в области технологий климат-контроля и говорит, что эти новые технологии "многообещающие, но их массовая эффективность пока не подтверждена", добавляя, что "они могут быстро продвинуться, если правильно распределить капиталы и партнерство". Их путь на рынок может зависеть от того, будут ли их внедрять и развивать крупные производители.

Но даже с этими новыми технологиями возросшие требования к охлаждению помещений не могут быть удовлетворены только за счет климатического оборудования. Большая часть жилых зданий в Европе проектировалась в расчете на сохранение тепла, и плотная городская застройка усугубляет эту тенденцию. Ученые и градостроители все чаще говорят об "иерархии охлаждения" (cooling hierarchy), которая подразумевает снижение теплового фона в первую очередь за счет пассивных мер, закладываемых в проект здания, как то – затенение, вентиляция и применение отражающих материалов, и только потом подключение механических систем и устройств климат-контроля.

Некоторые города уже экспериментируют с более широкими инфраструктурными решениями. Например, в Париже расширили сеть районного охлаждения, по которой холодная речная вода подается по подземным трубам в общественные здания для их охлаждения. Фосвинкель отметил, что подобные меры отражают понимание того, что приспособление инфраструктуры к росту средних температур потребует более согласованного планирования.

А в комментариях к данной статье на TechSpot, конечно же, вспомнили про ИИ. Мнения, как всегда, разделились.

Один пользователь заметил, что дата-центры ИИ по всему миру выбрасывают в атмосферу огромное количество тепла, превращая планету в печку, и при этом навязывают людям технологии, которые никому не нужны. И понесут ли Сэм Альтман, Илон Маск, Дженсен Хуанг и Марк Цукерберг персональную ответственность за климатическую катастрофу, в которую они нас ввергают, и заставят ли их платить штраф?

Другой пользователь возразил, что в общем потреблении электроэнергии доля ИИ составляет всего 0.5%, и это ничто по сравнению с тепловой энергией, получаемой от Солнца – за 10 секунд Солнце нагревает планету больше, чем ИИ за целый год. А говорить, что "ИИ никому не нужен" – это уподобляться неграмотным фермерам, которые в конце 19 века заявляли, что никому не нужно электричество в доме.

Третий пользователь нашел забавным, что фабрики ИИ (располагающиеся преимущественно в США и в перспективе в Китае), оказывается, потребляют столько же энергии, сколько 415 миллионов человек. А столько же тепла, сколько за 10 секунд от Солнца – это, конечно, хорошо, только оно никак не используется. И вообще от ИИ уже много вреда – загрязнение окружающей среды, энергетические расходы и рост безработицы – поэтому сравнение его с электричеством, которым как раз все пользуются, неуместно.

Второй пользователь ответил, что он возражал конкретно против утверждения, что ИИ "превращает планету в печку". А что касается пользы от ИИ, то он улучшает жизнь миллиардов людей, и многие используют его как раз для экономии не только электричества, но и других ресурсов. Например, использование ИИ в логистике экономит десятки миллионов литров дизельного топлива, а также сокращает потери при перевозках скоропортящихся продуктов. Ирригационные системы с ИИ экономят миллиарды литров воды, сокращают применение удобрений и пестицидов и при этом повышают урожай, помогая накормить голодающую планету.

Еще один пользователь заявил, что это несерьезно и напоминает ему псевдоцитату из книги Карла Сагана «Космос»: "миллиарды и миллиарды" (которой на самом деле там нет). Какие такие "миллиарды" людей?

Предыдущий автор в ответ привел конкретную цифру – 8.3 млрд (всех людей, живущих на Земле) – и дал ссылку на один из многих миллионов примеров. А для тех, кому лень ходить по ссылкам и читать много букв, написал, что модель ИИ на ЭКГ предположительно здоровых взрослых людей распознала скрытый сигнал, указывающий на высокую вероятность внезапной смерти. Это был один-единственный сигнал, не замеченный врачами-людьми. Теперь, когда он идентифицирован, врачи могут при помощи кардиостимуляторов или аблативной хирургии сохранить 300 тысяч жизней в одних только Соединенных Штатах. А те, для кого опыт использования ИИ сводится к игрушкам с бесплатными чат-ботами, на диване и с пачкой чипсов, пусть не высказываются в серьезной теме.

Наконец, пришел очень серьезный пользователь и написал, что критиковать других, не подумав о собственном образовании, интереснее всего. И что вообще-то можно критически оценивать влияние ИИ на окружающую среду без лишних эмоций и проявлений пассивной агрессии, которые ничего не добавляют к содержанию технической дискуссии и не украшают ее участников. ИИ абсолютно точно имеет углеродный след, требующий строгого контроля, но это также один из наиболее мощных инструментов оптимизации использования ресурсов, и нужно рассматривать предмет с обеих сторон, а не только с той, которая направляет дискуссию в желаемое русло. Желание доказать свою "правоту" – возможно, самое неконструктивное основание для спора. Далее он привел ряд данных со ссылками на источники в подтверждение того, что истинные масштабы развертывания ИИ отражают не столько чат-боты, сколько бекэнд-приложения: алгоритмы распознавания мошенничества в финансовых транзакциях, модели для глобального прогнозирования погоды и картографические API для повседневной городской навигации.

По данным МЭА, хотя дата-центры действительно быстро растут, в общемировом энергопотреблении они продолжают занимать скромное место. Даже при возросшей нагрузке на инфраструктуру ИИ, как отмечает Global Energy Review, традиционные факторы роста энергопотребления – расширение промышленных производств, коммерческое строительство и использование бытовых приборов – значительно опережают существующую инфраструктуру ИИ.

Статистика крупных и средних парков коммерческого транспорта показывает, что динамическая перестройка маршрутов с помощью ИИ позволяет значительно оптимизировать распределение ресурсов. Эмпирические данные, опубликованные ResearchGate на Smart Logistics, подтверждают, что оптимизация маршрутов с помощью ИИ может снизить потребление топлива и локальные углеродные выбросы на 15–30% по сравнению с традиционными методами планирования «вручную». Реальные логистические показатели в Shyftbase и отчеты транспортных парков подтверждают непосредственное сокращение активного расхода топлива на 10–20%.

В сельском хозяйстве технологии точного земледелия VRT (Variable Rate Technology) и алгоритмическое планирование значительно сокращают расход ресурсов. По данным Объединенного исследовательского центра при Еврокомиссии применение ИИ в сельском хозяйстве снижает объем использования химических удобрений на 15–30%. Агротехнические исследования, опубликованные на ScienceDirect, также показывают, что использование систем поддержки принятия решений с ИИ повышает эффективность полива на 15.5% и одновременно снижает риск загрязнения почвы токсичными веществами, например, нитратами, на целых 40–45%.

В Национальных институтах здравоохранения США (National Institutes of Health, NIH), которые занимаются общими биомедицинскими проблемами и исследованиями факторов, влияющих на здоровье людей, наметили концепцию использования ИИ в задачах моделирования климата, строительстве крупных коммуникаций и градостроительстве.

Кроме того, есть области, где ИИ неэффективен или даже вреден, что также подтверждается объективными показателями, и это говорит только о том, что эту тему действительно стоит всесторонне обсуждать.